原文来源：https://www.einstein-online.info/en/spotlight/multi-messenger-astrophysics/

原文标题：Multi-messenger astrophysics and numerical relativity

中子星合并时，释放引力波和电磁信号，这些信号能够通过多信使天文学帮助我们解决基础物理研究中长期存在的问题

目录：

中子星的合并揭示了什么长期存在的问题？

多信使观察和数值相对论

数值相对论在中子星合并上的发现

数值相对论和真实的观测

更进一步的信息，参考资料等

2017年8月17日，第一次探测到的双中子星合并的引力波，标志着天体物理学的一个新时代的开始，不仅LIGO天文台在这次事件中记录了引力波信号，而且全世界的研究者观测到了它的电磁信号。这次突破宣布了多信使天文学的开始。

中子星双星（中子星和中子星或黑洞和中子星）的合并是在多信使天文学中最有趣和最重要的观测对象。它们（双星）代表了强引力的情形，这种情形仍然没有被完全理解，这让它们足够有趣。最重要的是，中子星合并的研究能帮助科学家解决基础物理研究中长期存在的问题。

中子星的合并揭示了什么长期存在的问题？

一个开放的问题是高密度核物质的性质。正如名字所表示的，中子星是一个主要由中子组成的极端高密度物体。然而，我们仍然不知道他们精确的成分。双中子星释放的引力波和电磁信号可以提供中子星的半径信息，他们的半径主要由他们的成分所决定。

另一个长期以来的物理问题是像金和铀一样的重元素的起源。我们相信，这些重元素是从像铁一样的相对轻的元素通过快速中子捕捉过程（所谓的r过程）来合成的。这一过程要发生，必须有一个极其富中子的环境，这仅可以在一个相对论的环境中被找到。然而，确切的是，我们仍不知道有哪一个天文现象是r过程核合成的主要地点。中子星合并是最有希望的候选者，因为他们提供了一个非常富中子的环境。在中子星合并中，少量的富中子物质将会强烈地喷射向星际空间。在这些喷射物中，重元素应该是经过r核合成过程而被合成的。最初被合成的重元素有大量中子，因此有强烈的放射性。这导致它们随之衰变，这个过程会加热喷射物使它们发光。如果一个人可以用电磁望远镜观察到高亮度喷射物并伴有引力波，那么他就可以证实中子星合并时发生了r核合成过程。

根据俄亥俄州立大学的Jennifer Johnson教授所公布的数据，此周期表展示了太阳系起源时的元素

© Cmglee, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437

多信使观测和数值相对论

中子星合并的多信使观测能帮助回答很多物理中长期存在的开放问题，前提是我们有一个可靠的理论模型来描述这类事件，其包含着强引力场和物质抛射。理论学家不得不利用伴生物质方程，像流体力学方程和辐射传输方程，去解决广义相对论中爱因斯坦场方程，这个方程统治着中子星物质和中微子辐射的演化。因为这些方程是高度非线性，多维并且复杂，因此他们只能通过大规模数值模拟的方法被解决。

数值相对论在中子星合并中的发现

数值相对论一个重要的发现涉及到合并后的残余物的性质：如果双星系统总质量小于2.8个太阳质量，那么一个中子星就形成了。如果双星质量的总质量超过这个界限，合并后残留物的自引力不能与核子之间的斥力和快速旋转的离心力所保持平衡，结果，残留物坍塌形成黑洞。

另外数值相对论还阐明在合并中和合并后，一小部分的物质被喷射。它吸积系统周围的大吸积盘中的物质，与残余物的种类无关。这个模拟还确认了大量喷射的两个机制。动态质量喷射发生在合并开始之后10毫秒之内。在这个过程中被喷射的物质称为合并喷射物。合并后的物质喷射来自环绕中心天体的吸积盘。这个大量喷射的时间尺度为秒到10秒，喷射的物质被称为“合并后喷射物”。

现在最先进的数值相对论能够让科学家去精确地预测一对给定双中子星的合并和物质喷射过程（可以理解为，双中子星的可视化）。更进一步，天体物理学家可以通过辐射传输模拟来从喷射物中计算电磁信号，并且在这个模拟中，光子能量传输也被考虑。这些理论工作经常被利用来预测引力波和电磁波信号，并且帮助理解观测结果。

一个关于双中子星晚期绕转（前期），合并（中期），合并后（后期）的数值相对论模拟结果。在这个例子中，一个大质量中子星形成，一部分物质被喷射。

© S. Fujibayashi, M. Shibata (Max-Planck-Institute for Gravitational Physics)

数值相对论与真实的观测

对于2017年8月17日的中子星合并事件，从γ射线到无线电波段，电磁观测被广泛的应用。引力波的观测，揭示双中子星的总质量在2.73—2.78个太阳质量之间，这比形成黑洞的2.8个太阳质量界限要小。因此，依据模拟，剩余物应该是一个高质量的中子星。基于数值相对论的研究，GW170817合并后一秒的剩余物和喷射物的简略画面变得清晰：在中央一个大质量中子星环绕着吸积盘，在外围的区域，合并喷射物和合并后的喷射物以5％—30％光速的亚相对论速度逃离体系。

GW170817合并后一秒的剩余物示意图

基于这些发现，我们很可能建立一个有着真实密度分布，体积分布，组成成分和温度的喷射物模型。在GW170817事件中，可见光和红外光所观测到的光变曲线与理论计算在不同的波长处非常合理的匹配。估计总的喷射物质量为0.03个太阳质量。另外，很可能表明在合并喷射物中包含了很大一部分重元素。

在引力波探测器LIGO和Virgo第三次观测中，观测到的引力波很可能探测到另一个中子星合并。尽管公共报警系统触发了广泛的即时搜索，但是没有观察到GW190425中的电磁对应物。因此，在GW170817的双中子星的多信使观测仍然是一个对于实验引力波物理学家，电磁天文学家，数值相对论研究者之间卓有成效合作的主要案例。

更多信息

参考

A. P Abbott et al., Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017).

M. Shibata, “Numerical Relativity” chapter 8 (world scientific, 2016).

M. Shibata and K. Hotokezaka, Ann. Rev. Nucl. Part. Phys. 69 (2019).

M. Shibata et al., Phys. Rev. D 96, 123012 (2017).

K. Kawaguchi, M. Shibata, and M. Tanaka, Astrophys. J. 865, L21 (2018).

作者信息：Masaru Shibata是波茨坦的马克思·普朗克引力物理研究所计算相对论天体物理学系主任，也是日本京都大学Yukawa理论物理研究所教授。

翻译：孙厚义，华中科技大学2020级本科生

编校: 邹远川

文章编号: 华中大天文210707